便携式手握心电监护仪的设计与实现

Abstract

A hand-held electrocardiogram (ECG) monitor with capacitive coupling is designed in this study that can rapidly detect ECG signals through clothing. This new device improves many deficiencies of the traditional ECG monitor, such as infection due to direct skin contacting, inconvenience, and time-consuming. In specificity, the hand-held ECG monitor consists of two parts, a sensor and an embedded terminal. ECG signals are initially detected by a sensing electrode placed on the chest through clothing, then treated by single ended differential amplification, filtering and master amplification, and later processed through A/D conversion and ECG signal transmission by CC2540 module. The waveform and heart rate are finally displayed on the screen based on digital filtering and data processing for the received ECG signal on the embedded terminal. Results confirm that the newly developed hand-held ECG monitor is capable of detecting real-time ECG signals through clothing with advantages of simple operation, portability and rapid detection.

引言

目前国内有 63% 的死亡来源于慢性非传染性疾病，其中一半是来源于心血管疾病^[1-2]。研究表明，如果在心血管疾病早期阶段能进行实时检测和及时发现生理异常，可降低心血管疾病的发病率和死亡率^[3]。心电图（electrocardiogram，ECG）是用于诊断心血管疾病的主要方法之一，通过将电极放置于人体体表特定部位检测心电信号，根据体表电位的变化来记录心脏的生理活动。目前家庭或医院使用的心电监测仪都需要将电极跟人体躯干皮肤直接接触，而且需要在皮肤表面涂导电膏来确保测量的准确性，电极也是一次性使用，所以对于家庭用户来说操作过于繁琐，花费时间较长，并且有可能造成皮肤过敏^[4]。

基于电容耦合原理的心电监测系统能够很好地解决上述问题。电容电极相比于传统的电极，能够避免直接与人体体表接触，隔着衣服就能够检测人体体表电位^[5-6]。本文设计了基于电容耦合的便携式手握心电监护仪，右手握住手柄，将感应电极放置于左胸前对信号进行采集，之后由信号处理电路对心电信号进行处理，最后通过信号采集与传输模块对信号进行 A/D 转换和无线传输。

1. 系统设计

本系统由手握心电传感器和嵌入式终端两部分构成，手握心电传感器主要包括感应电极、信号处理电路以及基于处理器 CC2540 的信号采集和传输模块。系统的框图如图 1 所示。

图 1.

Block diagram of hand-held ECG monitor

手握心电监护仪系统结构框图

本系统以人体右手为电极参考点，将感应电极隔着衣物放置于左胸前对心电信号进行采集，通过单端差动放大电路对心电信号进行放大，以减小共模干扰。单端差动放大电路的输出信号再经过工频滤波器，二阶低通、高通滤波器和主放大电路处理后，最后通过 CC2540 模块对信号进行 A/D 转换和数据无线传输。嵌入式终端由基于处理器 STM32F407 的嵌入式最小系统和蓝牙接收模块构成。嵌入式终端对接收到的心电信号进行数字滤波和数据处理，最后在液晶屏上显示心电波形和心电参数。手握心电传感器和嵌入式终端整体功耗较低，所以采用电池供电即可。

2. 手握心电传感器

手握心电传感器主要由感应电极、信号处理电路以及信号采集和传输模块构成。传感器结构如图 2 所示，右手握住铜质手柄，将感应电极放置于左胸前，即可获取人体心电信号。手握心电传感器用右手作为电极参考点，采用感应电极来获取人体心电信号。泡沫和螺旋弹簧作为缓冲装置，使感应电极与人体体表紧密接触，有利于减小运动伪影的产生^[7-8]。

图 2.

Structure diagram of the hand-held ECG sensor

手握心电传感器结构图

2.1. 感应电极

针对传统电极需要与皮肤直接接触、不能重复使用、花费时间长等缺点，本文利用电容耦合原理设计了感应电极，隔着衣物即可实时检测心电信号。感应电极的原理如图 3 所示，其中人体皮肤与电极构成耦合电容的两极面，衣服等绝缘体作为耦合电容的绝缘介质，随着人体体表皮肤表面电位的变化，感应电极外表面的电荷也随之改变，从而实现隔着衣物采集心电信号的功能^[9-11]。

图 3.

Schematic diagram of capacitive coupling

电容耦合原理示意图

感应电极的整体电路如图 4 所示，图中的印刷电路板是由双面印刷电路板（printed circuit board，PCB）构成。印刷电路板的顶面为带阻焊油墨的铜膜，底面上设有两个区，一个是有缓冲电路的区域，另一个是被铜膜覆盖的屏蔽区域。缓冲电路采用轨到轨输入/输出的低噪声、低偏置电流、高共模抑制比的精密放大器 LMP7702。前一级运放 1 作为电压跟随器，构成阻抗变换电路，使其获得高输入阻抗，从而避免心电信号在皮肤-电极的耦合中衰减过多。运放 2 为伺服电路，能有效去除输入信号的基线漂移，而且可防止因偏置电阻 R1 与耦合电容构成高通滤波器而导致信号失真的现象，使电极达到最佳的信噪比^[12]。

图 4.

Electrode circuit and differential amplifier circuit

电极电路与差动放大电路结构图

2.2. 信号处理电路

心电信号是人体特定点之间的电位差，本系统将右手作为电极参考点和地参考点，将感应电极采集到的心电信号接入仪表放大器的同相端，构成单端差动放大电路，如图 4 所示。本系统选用精密仪表放大器 INA128 对心电信号进行差动放大，具有高共模抑制比、低功耗、小尺寸等优点。由于是通过感应电极采集，且体表电位幅值小、共模噪声大，因此采用单端差动放大电路以减小共模噪声。

心电信号的主要干扰源是 50 Hz 工频干扰，虽然利用单端差动放大电路滤除掉一部分共模噪声，但是仍有一部分工频干扰以差模信号的形式混入信号中，所以本系统采用双 T 型陷波电路来进一步消除信号中的工频干扰。为了保证双 T 型陷波器的中心频率为 50 Hz 以及保证陷波的深度，需选用高精度的电阻和电容。心电信号的频率范围为 0.05～100 Hz，为了消除信号中的低频和高频干扰，在信号处理电路中加入二阶有源高、低通滤波器。将低通滤波器的截止频率设置为 100 Hz，将高通滤波器的截止频率设置为 0.05 Hz，以保证心电信号频段的完整性。经过单端差动放大和滤波电路后的信号幅值只有 40 mV 左右，所以需再经过后级主放大电路以满足 A/D 转换要求，放大倍数设置为 25 倍。

2.3. 信号采集与传输

信号的采集与传输模块由 CC2540 模块直接实现，基于蓝牙 4.0 的 CC2540 模块集成了 2.4 GHz 射频收发器，是一款完全兼容 C8051 内核的无线射频单片机，可用作低功耗的无线数据采集与传输模块^[13]。芯片 CC2540 的内部集成有 8 个通道的 12 位 ADC，主频可达到 32 MHz，所以利用它既可以作为数据采集终端，又能作为数据收发的无线终端。本系统将模拟心电信号连接至 CC2540 模块，以完成 A/D 转换和心电数据的传输。

3. 嵌入式终端的处理和显示

嵌入式终端是由基于处理器 STM32F407 的最小系统和蓝牙接收模块构成。嵌入式终端对接收到的心电信号进行再次数字滤波，并利用差分阈值算法对数据进行处理得到心率值，最后在图形化操作界面上显示心电波形和心电参数。

3.1. 动态差分阈值算法

本系统采用动态差分阈值算法对数据进行处理得到心率值，该算法既能实时测量心率，又能避免运动伪影造成心率测量不准确。动态差分阈值算法是根据心电信号采样前后多点间的差分大小，来精确锁定心电信号 QRS 波群。本算法先通过负差分阈值锁定 RS 波段，再检测之前的 100 ms 内点的正差分值，从而锁定 QR 波段，最后即可确定 QRS 波群，算法流程图如图 5 所示。采用动态差分阈值算法的优势在于能够实时快速地锁定 QRS 波群，特别适用于非接触式心电检测系统，可应对不同个体之间心电幅值差异和信号波动的问题。

图 5.

Flowchart of dynamic differential threshold algorithm

动态差分阈值算法流程图

3.2. 图形化操作界面

为了实现家庭式心电监护仪交互界面的人性化，将实时操作系统 μC/OS-Ⅲ 移植到微处理器 STM32F407，结合 STemWin 图形库，既可以实现多任务分配管理，又能设计一个交互式图形操作界面，更加贴合现代用户操作习惯^[14]。系统能够对采集到的心电信号进行实时快速处理，并在液晶屏上显示心电波形以及心率值，再对心电数据进行存储。图 6 为液晶屏显示的图形操作界面，界面上有虚拟触摸键，可通过触摸键控制信号的采样频率、幅值大小等，图中液晶屏上显示的心电波形和心率值都为实测结果。

图 6.

User interface on the liquid crystal display screen

液晶显示屏操作界面

4. 测试与实验结果

为了验证测试效果，对手握式心电监护仪进行了测试。在征得志愿者同意后，采用手握心电监护仪对志愿者进行实际心电检测。志愿者右手握住铜制手柄部分，将感应电极放置于左胸前，可以在液晶屏上观察到心电波形和心率，图 7 为实验测试环境。

图 7.

Snapshot of the laboratory experimental setup

实验装置图

针对衣物厚度差异进行了实验，实验结果如图 8 所示，其中图 8a 为隔着厚度为 0.5 mm 的衣物测量所得到的心电信号，图 8b 为隔着厚度为 0.9 mm 的衣物测量所得到的心电信号，图 8c 为隔着厚度为 2.2 mm 的衣物测量所得到的心电信号。从图 8a 到图 8c 可以看出，虽然随着衣物厚度的增加，心电信号的幅值会有所减小，但是从波形中能够清晰地观察出心电信号各个特征如 QRS 波群、T 波、P 波，甚至 U 波。实验结果表明，本文设计的手握心电监护仪能够隔着衣物快速检测人体心电信号，可满足日常心电监护的需求。

图 8.

The ECG signals obtained with different thickness of the cloth covered

隔着不同厚度衣物检测到的 ECG 信号

a. with a cloth of 0.5 mm thickness; b. with a cloth of 0.9 mm thickness; c. with a cloth of 2.2 mm thickness

a. 隔着厚度为 0.5 mm 的衣物；b. 隔着厚度为 0.9 mm 的衣物；c. 隔着厚度为 2.2 mm 的衣物

5. 结论与展望

本文基于电容耦合原理设计了便携式手握心电监护仪，只需右手握住手柄隔着衣物将感应电极放置于左胸前，即可在液晶屏上实时观察到自身心电波形变化与心率值。整个系统主要包括感应电极、单端差动放大电路、模拟滤波电路、主放大电路、信号采集和传输模块、嵌入式终端等。由实验结果可知，手握心电监护仪能满足人们日常实时检测心电信号的需求，具有操作简单、便携性、快速检测等优势。

Funding Statement

国家自然科学基金（21105127）